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        顏值最高的粉體材料——二氧化硅氣凝膠

        氣凝膠被稱為世界上密度最小的固體,是全球公認的最高效絕熱、保溫材料之王。它比棉花還要輕,每立方厘米的密度最低能夠達到0.16毫克,是空氣密度的六分之一,被稱為“凍住的煙”??蓮V泛應用于航空航天、建筑、石油化工、軍事工業、熱能工程、熱工設備、交通運輸等領域,全球市場空間預計超過百億美元。

        氣凝膠
         
        氣凝膠因成分不同,主要有無機氣凝膠、有機氣凝膠、復合氣凝膠和金屬單質氣凝膠等。當前,二氧化硅氣凝膠的絕熱性能最引人注目,技術也最為成熟,國內外氣凝膠的產業化發展大多圍繞二氧化硅氣凝膠絕熱應用展開。
         
         

         

         

        什么是二氧化硅氣凝膠?

         

         

        二氧化硅(SiO2)氣凝膠是高溫隔熱氣凝膠中研究最早,研究也相對更成熟的一種氣凝膠。二氧化硅氣凝膠被稱為“藍色的煙”,可以說是粉體材料中顏值較高的材料。它是一種以氣體為分散介質的凝膠材料,是由膠體粒子相互聚結構成的一種結構可控的輕質納米多孔固態材料,具有連續的三維網絡結構,其固體相和孔隙結構均為納米量級,孔隙率可高達80%~99.8%,比表面積可至10002/g以上,密度低達3kg/m3,是目前密度最小、隔熱性能最好的固態材料。

         

         

        二氧化硅氣凝膠制備工藝

         

         

        二氧化硅氣凝膠的制備過程主要包括濕凝膠的制備、老化和干燥三個關鍵步驟,典型工藝流程如下圖所示。

        二氧化硅氣凝膠制備工藝流程
         
        二氧化硅氣凝膠的合成方法主要是:硅源在催化劑作用下進行水解縮聚反應形成多孔結構的濕凝膠,再經過老化過程促進凝膠網絡中未反應的單體繼續反應以獲得強化的網狀結構,最后將濕凝膠中的溶劑干燥去除,即可獲得具有納米網絡結構的SiO2氣凝膠。
         
        二氧化硅氣凝膠制備過程中最關鍵的步驟就是干燥。

         

         

        常見干燥工藝

         

         

        目前,二氧化硅氣凝膠常見干燥工藝有超臨界干燥、常壓干燥與冷凍干燥。
         
        超臨界干燥工藝制備二氧化硅氣凝膠,是我國目前主流工藝,該法制備的氣凝膠收縮量最小,但核心設備復雜,需要高壓設備、危險性高、工藝復雜、制備周期長、運行維護成本高,制成的二氧化硅氣凝膠價格高昂。
         
        冷凍干燥時溶劑發生相變,會產生體積變化,對凝膠的孔洞結構造成破壞,一般只能得到氣凝膠粉末或顆粒。
         
        常壓干燥條件溫和、設備簡單,是SiO2氣凝膠實現低成本、連續化和規?;a的主要研究和發展方向之一。
         
        • 常壓干燥原理
         
        常壓干燥即濕凝膠樣品在常壓下進行常溫或高溫干燥,其基本原理是通過對凝膠進行處理,實現在常壓下去除納米孔洞中溶劑并保持凝膠骨架結構不塌陷,從而獲得性能優異的氣凝膠材料。其難點在于怎樣使SiO2氣凝膠在大氣壓力下干燥時凝膠能夠抵御作用在骨架上的毛細管張力,且不因孔壁上的壓力差而導致收縮和坍塌。
         
        解決常壓干燥時SiO2氣凝膠收縮和破裂的問題,目前主要有兩個技術方向:一是凝膠基體增強與優化,通過增強SiO2氣凝膠機械強度,從氣凝膠自身結構上提升對干燥時產生應力的抵抗能力;二是通過減小干燥時孔隙液對凝膠骨架的作用力和降低羥基縮合產生的不可逆收縮而使凝膠在常壓干燥后保持原有的骨架結構。
         
        • 常壓干燥研究現狀
         
        干燥時凝膠表面存在納米結構的孔,排除溶劑時將產生很大的毛細管力。根據楊-拉普拉斯方程,干燥過程中孔道中骨架所承受的壓力可達上百兆帕,而SiO2氣凝膠由于珍珠鏈結構造成自身骨架結構十分脆弱,因此干燥時的應力會導致凝膠結構的收縮甚至坍塌。同時,凝膠孔隙表面存在著大量未反應完全的羥基,在干燥時凝膠孔隙表面羥基會進一步反應,從而造成凝膠不可逆地收縮。因此,如何盡可能地增強SiO2氣凝膠骨架結構,消除干燥時的毛細管力與不可逆收縮,改進制備干燥方法成為氣凝膠基礎研究的一個重要部分。
         
        因此,常壓干燥一直受制于國外企業。
         
        近日,由武漢中科先進材料科技有限公司電子信息材料研發中心副主任、高級工程師陳海平領銜的科研團隊,在氣凝膠的制備技術上實現突破,打破國外企業對這一技術的壟斷,實現了低成本制備氣凝膠。
         
        陳海平團隊避開國外企業技術壟斷,另辟蹊徑,開發出二氧化硅氣凝膠常壓干燥制備工藝。采用這一工藝,產線建設投資少、規模大、效率高,可以降低30%以上生產成本,這是一項原創性的科技攻關,已申請14項相關專利,獲得授權專利1項。預計2023年完成生產線搭建并進行產品推廣。

         

         

         

        二氧化硅氣凝膠的應用

         

         

        由于其具有透明度高、隔熱性能好、密度小、介電常數低、耐高溫等特性,SiO2氣凝膠在諸多領域應用廣泛。
         
        • 隔熱材料
         
        SiO2氣凝膠具有納米多孔三維網狀結構,孔隙率很高(80.0% ~ 99.8%),比表面積極大(500 ~ 1200m2/g),密度極低(0.03 g/cm3),導熱系數較小[0.005 W/(m?K)],因此,可作為良好的隔熱材料被廣泛應用。Kajikawa等以SiO2氣凝膠和硅系粘合劑作為內燃機的隔熱涂層,發現其具有優異的隔熱性和力學強度。
         
        • 隔音材料
         
        SiO2氣凝膠作為納米多孔材料,當聲音在氣凝膠中傳播時,首先會進入其納米孔中,SiO2氣凝膠的三維網絡結構會使聲波在里面多次折返、碰撞和反射。另外,聲波在納米孔洞中會和空氣、孔壁等產生摩擦,這都會延遲聲音的傳播,也會造成極大的音損。因此,SiO2氣凝膠可以作為很好的隔音和延遲聲音的材料。陸紀互將SiO2氣凝膠作為消音材料填充與裝飾板材中,使得板材具有良好的隔音效果。
         
        • 吸附催化材料
         
        由于SiO2氣凝膠獨特的納米多孔三維網絡結構和超細顆粒、高孔隙率、高比表面積、低密度等特性,使得它具有很強的吸附性,可作為吸附劑使用。此外,一方面由于SiO2氣凝膠具有超高的孔隙率(大于90%),可以作為優良的催化劑載體,另一方面由于其本身具有良好的催化性能,所以它作為新型催化劑或催化劑載體也具有很好的應用價值。王美蘭等采用由檸檬酸接枝的殼聚糖與硅酸溶液在硅烷偶聯劑的催化下復合得到雙親型SiO2氣凝膠復合材料,將其用于廢水處理具有較好的應用效果。
         
        參考來源:長江日報、粉體網、

         

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